CC BY
6УДК 699.812 DOI 10.25257/FE.2019.3.71-80
КРУГЛОВ Евгений Юрьевич Кандидат технических наук Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: 89268196698@mail.ru
ШУТОВ Фёдор Анатольевич
Доктор химических наук, профессор РГХТУ им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия E-mail: fashutov@mail.ru
АСЕЕВА Роза Михайловна
Доктор химических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: rm-aseeva@yandex.ru
ОГНЕСТОЙКОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ ЛЁГКИХ ДЕРЕВЯННЫХ КАРКАСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОЛИМЕРНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ КАРБОНИЗУЮЩЕГОСЯ ТИПА
Представлены результаты исследования влияния на огнестойкость ограждающих лёгких деревянных каркасных конструкций с полимерной теплоизоляции карбонизующегося типа - пенокомпозита «Репосош», который сравнивается с базальтовой теплоизоляцией «Rockwool Light Scandic».
Ключевые слова: здание, огнестойкость, ограждающие строительные конструкции, карбонизующая теплоизоляция, полимерный пенокомпозит «Репосош», «Rockwool Light Scandic».
Строительство деревянных зданий и сооружений лёгкого каркасного типа получило широкое распространение в России. По прогнозу ряда специалистов [1] доля деревянного домостроения в жилищном сегменте к 2020 году должна составить 70 %. Большое внимание уделяется развитию производства новых видов материалов и конструкций на основе древесины, а также усовершенствованию нормативной базы по пожаробезопасному применению в строительстве объектов разного функционального назначения.
Пожарная опасность и огнестойкость строительных объектов с применением деревянных конструкций с несущими и ограждающими функциями обусловлена высокой скоростью тепловыделения при горении древесины, интенсивной динамикой развития пожара, созданием условий для объёмной вспышки. В результате быстро достигаются критические значения опасных факторов пожара (ОФП) -высокая токсичность и дымообразующая способность продуктов горения.
Согласно статистическим данным [2], 80 % пожаров произошло в жилом секторе, где погибло около 90 % от общего количества погибших при пожаре по стране за период с 2013 по 2017 год. Одноэтажные здания для людей являются наиболее пожароопасными (рис. 1, 2).
Установлено, что количество пожаров в городах значительно превышает число пожаров в сельской местности. Однако в последнем случае число жертв по отношению к количеству пожаров является более высоким. Этот факт связан с широким применением
© Круглов Е. Ю„ Шутов Ф. А., Асеева Р. М„ 2019
древесины и материалов на её основе для строительства малоэтажных зданий и сооружений. Их обычно относят к V степени огнестойкости, предел которых не нормируется, согласно Федеральному закону от 22 июля 2008 г. «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». В результате при строительстве малоэтажных деревянных лёгких каркасных зданий часто используют в качестве теплоизоляции самозатухающий пенополистирол (ППС), в меньшей степени - жёсткий пенополиуретан (ППУ). ППС при пожаре довольно легко воспламеняется, опасен скрытым распространением горения внутри конструкций, образованием расплава, дыма и токсичных газов. ППУ при горении также может плавиться, выделяя очень токсичные газы (цианиды и фосген).
Этаж
Рисунок 1. Количество пожаров в зависимости от этажности жилых зданий в Российской Федерации:
■ - 2015 г.; - 2016 г.; ■ - 2017 г.
6000 5000
<
CD З-
| 4000 \о
X
о
О 3000
0 0) 3" X
1 2000 1000
5515
13
3-5 6-9 10-16 17-25
Этаж
Рисунок 2. Количество погибших людей при пожаре в зависимости от этажности жилых здании в Российской Федерации за 2017 г.
Цель настоящей работы состояла в анализе термического поведения и влияния на огнестойкость ограждающих лёгких деревянных каркасных конструкций с неплавкой, трудногорючей, карбони-зующейся и не тлеющей после удаления источника нагрева полимерной теплоизоляцией, а именно - полимерного пенокомпозита «Penocom». Важно было сравнить «Penocom» с негорючей базальтовой теплоизоляцией, оценить вклады элементов конструкций в огнестойкость при стандартном режиме пожара, сравнить результаты эксперимента и численного расчёта разработанной модели конструкций.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Аеревянные лёгкие каркасные конструкции с несущими и ограждающими функциями являются многослойными и состоят из деревянного каркаса, обшивок (облицовочных плит) и теплоизоляции между ними. К лёгким каркасным конструкциям традиционно относят конструкции из деревянных элементов (стоек, балок) с наименьшим размером сечения не более 80 мм. В работе изучали образцы трёх- и четырёхслойной систем, моделирующих фрагменты ненесущих (non-loading) лёгких ограждающих конструкций деревянного здания (перегородок, стен). Размер площади поверхности образцов, подвергаемой огневому воздействию, составлял 0,37 х 0,30 м. Деревянные стойки сечением 150 х 50 мм были изготовлены из древесины сосны плотностью р = 464 кг/м3.
В качестве облицовочных материалов применяли негорючие стекломагнезитовые листы (СМЛ) и древесные плиты OSB (Oriented Strand Boards), а в качестве теплоизоляции - полимерный пенокомпозит
«Penocom» и базальтовую минеральную вату «Rockwool Light Scandic» плотностью р = 36 кг/м3.
Плиты OSB обладают высокой прочностью, износостойкостью, стойкостью к деформациям, низким водопоглощением. Объёмная плотность используемого материала р = 620-650 кг/м3. Коэффициент теплопроводности изменяется от 0,12 до 0,30 Вт/(м-К) при повышении температуры от 22 до 100 °С, а удельная теплоёмкость соответственно растёт в пределах 1,91-3,67 кДж/(кг-К).
Стекломагнизитовый лист (СМЛ) представляет собой негорючий материал, устойчивый к влаге, внешним нагрузкам, перепадам температуры; механически легко обрабатывается, не подвергается действию плесени и грибов. Имеет высокую прочность, гибкость, длительное время выдерживает действие открытого пламени, сохраняя форму. Коэффициент теплопроводности при нормальных условиях составляет 0,12-0,26 Вт/(м-К) в зависимости от состава и плотности, удельная теплоёмкость 1,95 кДж/(кг-К).
Пенокомпозит «Penocom» является инновационным материалом с уникальным сочетанием технических и экологических свойств [3, 4], который изготавливается по заливочной энергосберегающей технологии. Изделия из пенокомпозита могут быть получены как в заводских условиях (плиты большого размера, скорлупы, изделия сложного профиля), так и на месте возведения строительного объекта при температуре от -30 до +500 °С.
В работе изучали образцы пенокомпозита плотностью 43,7; 83; 140 кг/м3. Материал был сертифицирован как трудногорючий (Г1) умеренно воспламеняемый (В2). Коэффициент теплопроводности по ASTM С 578 в диапазоне температур от 0 до +50 °С возрастает с 0,0326 до 0,0391 Вт/(м-К) [4].
Heat flow
Тепловой поток
Рисунок 3. Схема расположения элементов ограждающей деревянной каркасной конструкции и локации термопар: 1, 2 - облицовочные плиты со стороны огневого воздействия;
3 - деревянные стойки; 4 - теплоизоляция; 5 - облицовочная плита на обратной стороне конструкции; • - локация спаев термопар Тп
Формоустойчивость и линейную усадку теплоизоляционных материалов (ТИМ) определяли при их нагревании в муфельной печи со скоростью 12 °С/мин до 900 °С. Механизм и макрокинетические параметры пиролиза и термоокислительного разложения полимерного пенокомпозита определяли по результатам термического анализа, используя приборы Mettler и DuPont 9900 с термовесами ТГА- 951 (США).
Фактический предел огнестойкости образцов и вклады элементов конструкций в огнестойкость при стандартном режиме пожара оценивали по измерениям температуры воздуха в огневой печи и на поверхности элементов (рис. 3).
Теплотехнический расчёт прогрева образцов ограждающих конструкций проводили методом конечных элементов с привлечением программного комплекса ANSYS Mechanical.
Рано теряют свою форму ППС (при 110 °С), а также жесткий ППУ (выше 170 °С в результате частичного разложения и плавления). Неплавкий и кар-бонизующийся полимерный пенокомпозит «Репосот» не уступает по своей формоустойчивости минеральной стекловате. Её усадка происходит выше 430 °С, к 310 °С потеря массы составляет 6 % за счёт разложения связующего. Базальтовая теплоизоляция (см.рис. 4, кривая 5) начинает плавиться выше 650 °С, теряя к этому моменту 3 % массы. При 700 °С её усадка составляет 42 %, а при 900 °С - 62 % [7]. Образец «Rockwool Light» (см. рис. 4, кривая 6) является наиболее тугоплавким ТИМ. По-видимому, это связано с более высоким содержанием в его составе оксидов кремния и алюминия и меньшим содержанием оксидов Са и Mg по сравнению с теплоизоляцией [7]. Таким образом, усадка минеральной волокнистой теплоизоляции происходит исключительно в результате плавления.
Заметная усадка полимерного пенокомпозита наблюдается выше 470-480 °С из-за постепенного «выгорания» пенококса при нагревании на воздухе. К 600 °С усадка достигает 30 %. При испытании в огневой печи концентрация кислорода в ограждающей конструкции может быть меньше атмосферной и процесс усадки ТИМ «Репосот» должен быть более медленным.
Уменьшение массы пенокомпозита в результате термоокислительного разложения на первом этапе при сохранении размеров образца означает уменьшение плотности и увеличение его пористости. Последующая усадка ТИМ из-за «выгорания» пенококса приводит к дальнейшему снижению его плотности. Текущую пористость пенокомпозита с учётом степени разложения а, количества коксового остатка К и усадки у можно определить по формуле
Ф = 1-{р5[1-а(1-К)](1-Фо)]}/р'(1-у),
где ф0 и Ро - начальные значения пористости ТИМ и плотности каркаса пенокомпозита.
Р ЕЗУЛЬТАТЫ И ССЛЕДО ВАН И Й
Большое число работ было посвящено экспериментальному изучению огнестойкости лёгких деревянных каркасных конструкций с разной комбинацией огнезащитных облицовок и теплоизоляционных материалов. Эти работы привели к принятию Европейского стандарта и позднее - к уточнённым рекомендациям по проектированию деревянных каркасных зданий и сооружений [5, 6]. При этом ассортимент теплоизоляционных материалов ограничен изделиями из минеральной ваты. Информация о поведении при высокотемпературном и огневом воздействии неплавких пенопластов на основе термореактивных смол незначительна.
Результаты сравнительного исследования формоустойчивости и линейной усадки различных ТИМ при нагревании со скоростью 12 °С/мин показаны на рисунке 4.
\ \ \
1 2 3\ \4 \5 V
\ \ \__^
\
О 200 400 600 800 1000 t, °С
Рисунок 4. Влияние температуры на линейную усадку ТИМ:
1 - ПСБ-С25 и ППС-10; 2 - ППУ (р = 30 кг/м3); 3 - стекловолокнистая плита (р = 12 кг/м3); 4 - пенокомпозит «Репосот» (р = 140 кг/м3); 5 - базальтовая волокнистая теплоизоляция (р = 38 кг/м3); 6 - «Rockwool Light» (р = 36 кг/м3)
Текущая плотность пенокомпозита вычисляется по формуле
р = р0[1-а(1-К)]/(1-у).
Детальный термический анализ термоокислительной деструкции (ТОД) и пиролиза полимерного пенокомпозита «Penocom» показал существенные различия кинетики и механизма этих процессов [8].
В воздушной среде кривые скорости потери массы имеют сложный характер (рис. 5).
С увеличением скорости нагрева наблюдается закономерное смещение кривых в сторону более высокой температуры. После незначительной потери массы до 110-120 °С (из-за испарения влаги), выше 250260 °С начинается термоокислительная деструкция (ТОД) пенокомпозита. На всем протяжении этот процесс протекает с выделением тепла, показывая наибольший экзоэффект на последнем этапе в интервале 450-530 °С в результате окисления пенококса. При достижении 800 °С наблюдается практически полная потеря массы образца. Пиролиз пенокомпозита в инертной среде осуществляется в две стадии: в интервале 260-430 °С и 430-775 °С соответственно. При нагревании до 800 °С остаётся 40 процентов кокса.
Определение механизма и кинетических параметров разложения пенокомпозита «Penocom» по
ТГ- и ДТГ-кривым, полученным при разной скорости нагрева, основано на уравнении
doc / dr = Аехр(-Е / RT)f(a) / р, (1)
где а - степень конверсии; Т - температура, К; Л и £ -предэкспоненциальный множитель и энергия активации; р - скорость нагрева, °С/мин; f(a) - функция, определяющая физический механизм разложения.
Разделение переменных и интегрирование уравнения (1) приводит к выражению интегрированной функции конверсии g(a). В настоящей работе использовано следующее уравнение
g(a) = {ART2 / р(Е + 2/?Г)}ехр(-£ / RT).
Кинетические параметры отдельных стадий ТОД и пиролиза пенокомпозита «Penocom» определены из графиков в координатах log [g(a)/ Т2] - 1 /Т.
Функцию g (a) каждой стадии процесса оценивали по методу Criado [9] по приведённой скорости разложения V, отнесённой к скорости полураспада вещества (при а = 0,5): V = (T/T05f(da/dt)/(da/dt05). Так как величина (Т/Т05)г близка к 1, то приведённую скорость можно определить по соотношению расстояний соответствующих точек от базовой линии
Рисунок 5. ТГ- и ДТГ-кривые разложения пенокомпозита «Репосот» при нагревании в потоке воздуха
при разной скорости нагрева: 1-5 °С/мин; 2-10 °С/мин; 3-20 °С/мин
ДТГ-кривой. В данном случае использованы полученные из ДТГ-кривых значения V для а = 0,75 в сравнении с табулированными значениями приведённых скоростей [10].
ДТГ-кривая разложения на воздухе пеноком-позита при нагреве со скоростью 10 °С/мин позволяет выделить в виде гауссианов 4 стадии потери массы, перекрывающие друг друга. Максимумы выделенных пиков на кривой ДТГ соответствуют температурам 343, 411, 456 и 498 °С, а а близка к 0,70.
1 1 1 max 1
В работе [8] установлено, что все стадии ТОД пенокомпозита осуществляются по диффузионному механизму D3. Интегрированная функция конверсии ТОД представлена следующим уравнением: g(a) = = [1 - (1 - a1/3]2. Рассчитанные кинетические параметры первой и последней стадий ТОД приведены в таблице.
Аналогичным образом проведён анализ пиролиза пенокомпозита. Установлено, что обе стадии пиролиза протекают по механизму нуклеации и росту ядер по закону случая R (n = 1). Уравнение интегрированной функции конверсии имеет вид: g(a) = = [-ln(1-a)]n=1. Значения кинетических параметров даны в таблице.
Расчёт параметров по Киссинджеру [11] в координатах log((3 / 7^) - 1/Tmax (метод мультиплетной скорости нагрева) даёт значения, практически совпадающие с приведёнными выше значениями.
Огнестойкость образцов ограждающих лёгких деревянных каркасных конструкций определяли при стандартном температурно-временном режиме пожара в соответствии с ГОСТ 30247.0-94:
T = 345 log (8т + 1) + T0,
где Т и Т0 - текущая и начальная температуры в огневой камере, °С; т - время, мин.
Предел огнестойкости конструкций оценивали по признакам времени потери целостности Е и теплоизолирующей способности I - времени достижения
критической температуры 180 °С на необогреваемой поверхности конструкции. Анализ вклада каждого слоя конструкции в огнестойкость проводили по темпера -турным кривым. Полагали, что обугливание древесины и OSB, а также полимерной теплоизоляции начинается при 270 °С. Фактический предел огнестойкости ограждающей конструкции равен сумме временных вкладов составляющих элементов: Пф = £т;.
При проектировании строительных объектов огнестойкость каркасных конструкций рассчитывают по аддитивному методу как сумму временных вкладов каждого элемента (облицовочных слоёв, каркаса, ТИМ, узлов соединения). Взаимное расположение и типы элементов конструкции, в том числе узлов соединений, учитывают с помощью соответствующих коэффициентов [5, 6].
Сравнительные испытания трёхслойных систем, включающих теплоизоляцию «Rockwool Light», показали важное влияние на огнестойкость ограждающих конструкций первого облицовочного слоя. При наличии в качестве первого элемента конструкции горючей плиты OSB, быстро теряющей свою целостность, главный вклад в предел огнестойкости вносит теплоизоляция. Облицовочный материал на необогреваемой стороне конструкции мало влияет на огнестойкость конструкции. При замене первого слоя OSB на негорючий СМЛ, который сохраняет свою целостность в течение всего испытания, вклад этого слоя в огнестойкость конструкции возрастает в 2 раза [12].
Температурные измерения для оценки предела огнестойкости образцов трёхслойных ограждающих конструкций с полимерным пенокомпозитом «Penocom» (р = 140 кг/м3) и базальтовой теплоизоляцией одинаковой толщины (0,15 м) показаны на рисунках 6 и 7 соответственно.
Из рисунка 6 следует, что фактический предел огнестойкости трёхслойной ограждающей конструкции с полимерным пенокомпозитом равен 95 мин. Вклады отдельных элементов этой конструкции в общую огнестойкость составляют соответственно:
Макрокинетические параметры разложения пенокомпозита
Среда Интервал температуры, °С Т , °С max' E, кДж/ моль log A, мин-1 n
Воздух (245-400) 343 122,4 8,28 1/3
(433-536) 498 254,9 17,03 1/3
Аргон (260-430) 355 78,3 18,67 1
(430-775) 625 72,3 14,63 1
Пф = = 13СМЛ 1 + 75РС + 7СМЛ 2 = 95 мин-
Фактический предел огнестойкости ограждающей конструкции с базальтовой теплоизоляцией равен 52 мин. Вклады теплоизоляции и облицовочных материалов в огнестойкость конструкции составляют соответственно:
П, = 15„,.п, + 30 , , + 7™п = 52 мин.
ф СМЛ 1 госкиюо1 ОьБ
Применение дополнительного слоя облицовочного материала СМЛ (четырёхслойная конструкция) и пенокомпозита более низкой плотности (р = 43,7 кг/м3) позволяет увеличить предел огнестойкости конструкции до 110,3 мин:
Пф = 15,9СМЛ 1 + 12,1СМЛ 2 + 82PC + 0,3OSB = 110,3 мин.
X, мин
Рисунок 6. Температурно-временные кривые прогрева элементов ограждающей конструкции с полимерной теплоизоляцией «Репосот» при стандартном режиме пожара: 1 - температура в огневой печи; 2 - на обогреваемой поверхности СМЛ 1; 3 - на обогреваемой поверхности теплоизоляции; 4 - на внутренней (обогреваемой) поверхности СМЛ 2; 5 - на необогреваемой поверхности СМЛ 2 конструкции; 2', 3', 4, 5' - математический расчёт «Ansys Mechanical»
Рисунок 7. Изменение температуры на поверхности элементов конструкции с теплоизоляцией «Rockwool Light»: 1 - на обогреваемой поверхности СМЛ 1; 2 - на обогреваемой стороне теплоизоляции; 3 - на внутренней (обогреваемой) поверхности OSB; 4 - на необогреваемой поверхности конструкции; 1', 2', 3', 4' - математический расчёт «Ansys Mechanical»
Следует отметить, что к концу испытания этой конструкции деревянные стойки сохраняли свою целостность. Температура на необогреваемой стороне стоек в течение 100 минут не превышала 30 °С.
Сравнение огнестойкости конструкций с базальтовой теплоизоляцией и пенокомпозитом «Репосот» показывает преимущество и перспективность применения последнего в строительстве деревянных лёгких каркасных зданий и сооружений. Полагаем, что именно образование пенококса при высокотемпературном и огневом воздействии на полимерную теплоизоляцию обеспечивает такой эффект.
Начальная температурно-временная стадия стандартного пожара фактически близка к квазистационарному режиму, при котором температура среды изменяется во времени по линейному закону. Это даёт возможность оценить коэффициенты теплопроводности СМЛ и пенокомпозита до начала его разложения. Принимали, что суммарный тепловой поток на поверхность СМЛ 1 складывается из потоков, переносимых от газовой среды огневой камеры конвекцией и излучением. Между элементами конструкции имеется идеальный контакт и соблюдается равенство температур при контакте. До начала разложения в пе-нокомпозите не происходят физико-химические превращения, он рассматривается как пористый материал с неразлагающимся каркасом. В переносе тепла в слое теплоизоляции доминирующую роль играют теплопроводность и излучение. Из уравнения нестационарной теплопроводности следует:
X = ЯЕ5/АТ,
где 5 - толщина слоя элемента конструкции, м; АТ -разность температур на обогреваемой и необогревае-мой поверхностях, К.
Таким образом, установлено, что коэффициент теплопроводности СМЛ при стандартном режиме пожара в течение первых 18 минут возрастает от 0,26 при Т = 20 °С до 0,609 Вт/(м-К) (при средней температуре слоя 470 °С). Коэффициенты теплопроводности пенокомпозита «Репосот» при Тс = 62,5 °С -Х625 = 0,0417 Вт/(м-К); Х69 = 0,0б75 Вт/(м-К); Х64,5 = 0,1319 Вт/(м-К).
Теплопроводность пенококса при Т = 20 °С рассчитывается по уравнению Дульнева [13]:
X = X' (1 - ф)1-5 + Х"ф0-45,
где X' - теплопроводность углеродного каркаса; X" - теплопроводность воздуха; ф = 95 - пористость пенококса.
Считая, что углеродный каркас имеет теплопроводность аморфного углерода (сажи), коэффициент теплопроводности пенококса при 20 °С равен 0,0301 Вт/(м-К). При линейной зависимости от температуры X(T) = X20(T +273)/293 коэффициент теплопроводности пенококса изменяется согласно уравнению
ЦТ) = 0,0301 + 0,102-10-3 (T- 273).
В частности, коэффициенты теплопроводности пенококса теплоизоляции «Penocom» при 400-470 °С равны 0,069-0,076 Вт/(м-К).
Влияние температуры на теплопроводность базальтовой теплоизоляции «Rockwool Light» описывается уравнением
X(T) = 0,036 + 0,13 10 3 (Т - 273).
Важным показателем теплоизолирующих свойств материалов является приведённое термическое сопротивление Япр, представляющее отношение толщины материала к его теплопроводности. Приведённое термическое сопротивление конструкции, м2-К/Вт, рассчитывают как сумму термических сопротивлений элементов конструкции:
/?пр=Е/?;рц.
У рассматриваемых образцов трёхслойных ограждающих деревянных каркасных конструкций с базальтовой теплоизоляцией и пенокомпозитом «Penocom» по-разному изменяется теплоизолирующая способность в условиях стандартного режима пожара.
Приведённое термическое сопротивление конструкции с базальтовой теплоизоляцией при изменении температуры от 20 до 470 °С снижается более чем в 3 раза (с 4,283 до 1,386). У конструкции с полимерным пенокомпозитом в этих условиях Япр уменьшается всего в 1,8 раза (с 3,89 до 2,16 м2-К/Вт). Полученные результаты объясняют положительный эффект влияния пенокомпозита «Penocom» на огнестойкость ограждающих лёгких деревянных каркасных конструкций.
Современным средством исследования поведения строительных конструкций в условиях самых разнообразных внешних воздействий является математическое моделирование. Оно помогает без проведения дорогостоящих экспериментов выявить роль разных факторов на огнестойкость конструкций. Сравнение с экспериментом позволяет подтвердить, насколько важны эти факторы в реальных условиях.
При моделировании теплопередачи в ограждающих конструкциях с полимерной теплоизоляцией и оценке их огнестойкости по признакам целостности и теплоизолирующей способности (EI) использованы одномерные дифференциальные уравнения сохранения энергии и массы в системе. Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в отдельных элементах исследуемых ненесущих ограждающих деревянных каркасных конструкций [14]. На первом этапе теплотехнического расчёта по программе ANSYS Mechanical принимали, что пиролиз теплоизоляции протекает сразу при достижении температуры начала разложения Тнр. Образующийся кокс не влияет на транспорт продуктов разложения (принцип
постоянства давления в конденсированной фазе). Важно было выяснить, насколько недооценивается (или переоценивается) по сравнению с экспериментом вклад некоторых реальных процессов.
Для расчёта строилась геометрическая модель образца конструкции, которая свободно разбивалась на сетку конечных элементов с шагом 1 мм. Приняты теплофизические характеристики OSB [6], СМЛ и пенокомпозита, экспериментально полученные до начала разложения теплоизоляции. Теплопроводность далее образующегося пенококса считали равной 0,070 Вт/(м-К). Коэффициент теплообмена для условий в маломасштабной огневой печи af = 15 Вт/(м2-К).
На рисунках 6 и 7 представлены результаты расчёта. Наблюдается вполне удовлетворительное совпадение расчётных и экспериментальных значений температуры на поверхности элементов конструкции с «Rockwool Light» теплоизоляцией. Соответственно получено удовлетворительное совпадение расчётного (54 мин) и фактического (52 мин) пределов огнестойкости конструкции, а также вкладов отдельных элементов. Можно сделать вывод, что в этом случае роль процессов, связанных с массопереносом в элементах конструкции, не столь значима.
Предел огнестойкости конструкции с полимерной теплоизоляцией по EI-признаку составляет 95 мин, а по расчёту - около 100 мин. Из-за аккумуляции тепловой энергии на поверхности теплоизоляции со стороны огневой экспозиции на 20-й минуте наблюдается резкое увеличение температуры на межфазной границе её с внешним слоем СМЛ. Такая динамика связана, по-видимому, с экзотермической реакцией окисления пенококса, которая начинает протекать активно свыше 450-480 °С. Недоучёт теплового эффекта этого процесса приводит к занижению расчётной температуры на рассматриваемом этапе нагрева. Ближе к расчётным значениям температура, фиксируемая на необогреваемой поверхности ограждающей конструкции. Таким образом, заметна недооценка реальных термохимических процессов в слое полимерной теплоизоляции. На следующем
этапе численного анализа огнестойкости конструкций будет учтено сложное поведение полимерного пенокомпозита. В целом расчёт подтверждает перспективность применения в деревянных каркасных конструкциях неплавкой, карбонизующейся при высокотемпературном и огневом воздействии полимерной теплоизоляции, и в частности, - полимерного пе-нокомпозита «Penocom».
Авторы статьи пришли к заключению, что неплавкий, трудногорючий, карбонизующийся полимерный пенокомпозит «Penocom» является инновационным материалом, многие свойства которого изучены ещё недостаточно. В работе проведён детальный анализ поведения образцов пенокомпозита при нагревании в широком температурном интервале. Установлено, что механизм и макрокинетиче-ские параметры процесса разложения материала в атмосфере воздуха и в инертной среде существенно различаются. Термоокислительная деструкция пено-композита является многостадийным процессом, все стадии которого, в том числе стадия окисления пено-кокса, протекают по диффузионному механизму D3 в сферической геометрии. Пиролиз пенокомпозита осуществляется в две стадии по механизму нуклеации и росту ядер по закону случая R (n = 1). Материал сохраняет свою форму до 470-480 °С и по формоустой-чивости не уступает минеральной стекловолокнистой теплоизоляции. Маломасштабные огневые испытания при стандартном режиме пожара образцов ограждающих лёгких деревянных каркасных конструкций показали, что замена базальтовой теплоизоляции на полимерный пенокомпозит «Penocom» при прочих равных условиях приводит к значительному повышению фактического предела огнестойкости конструкций. Теплотехнический расчёт прогрева конструкций методом конечных элементов по программе ANSYS Mechanical подтвердил экспериментальные результаты. Эффективность пенокомпозита обусловлена образованием пенококса, теплоизолирующая способность которого лучше сохраняется при повышенной температуре, чем у минеральной теплоизоляции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Казейкин В. С., Баронин С. А, Черных А. Г., Андросов А. Н. Проблемные аспекты развития малоэтажного жилищного строительства в России. М.: Инфра-М., 2013. 278 с.
2. Пожары и пожарная безопасность в 2017 году. Статистический сборник / под общ. ред. Д. М. Гордиенко. М.: ВНИИПО МЧС России, 2018. 125 с.
3. Шутов Ф. А. Огнестойкие материалы для снижения пожарной опасности малоэтажных объектов из древесины // Технологии техносферной безопасности. 2014. № 3 (55). Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2014-3/22-03-14.ttb (дата обращения 03.09.2019).
4. Шутов Ф. А, Ярборо Д. Теплоизоляционные и экологические характеристики огнестойкого полимерного пенокомпозита Penocom // Технологии техносферной безопасности. 2014. № 4 (56). Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2014-4/37-04-14.ttb (дата обращения 03.09.2019).
5. EN 1995-1-2, Eurocode 5: Design of Timber Structures. - Part 1-2: General Rules, CEN, Brussels, Belgium, 2004
6. Fire Safety in Timber Buildings. Technical Guideline for Europe, SP Report 2010:19, www.jrc.ec.europa.eu
7. Benichou N, Sultan M. A / Fire Resistance Performance of Lightweight Wood-Framed Assemblies // Fire Technology 2000, vol. 36, N 3, p. 184 - 219
8. Круглое Е. Ю., Кобелев А. А, Шутов Ф. А, Асеева Р. М. Термогравиметрический анализ разложения полимерного пенокомпозита Penocom // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2016. № 6, С. 30- 34.
9. Criado J. M. Kinetic Analysis of DTG Data from Master Curves // Thermochimica Acta 1978, vol. 24, p. 186-189.
10. Rogers F. E., Ohlemiller T. J. Pyrolysis Kinetics of a Polyurethane Foams by Thermogravimetry; A General Kinetic Method // J. Macromol. Science - Chem 1981, vol. 15 A, n 1, p. 169 - 185
11. Flynn J. H. Temperature Dependence of the Rate of Reaction in Thermal Analysis. The Arrhenius Equation in Condensed Phase Kinetics // J Thermal Analysis, 1990, vol. 36, p. 1579-1593.
12. Круглое Е. Ю. Огнестойкость ограждающих деревянных легких каркасных конструкций с полимерной теплоизоляцией: дисс. ... канд. техн. наук: 05.26.03 / Евгений Юрьевич Круглов. М.: Академия ГПС МЧС России, 2017, 149 с.
13. Страхов В. Л., Крутое А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций / под ред. Ю. А. Кошмарова. М.: ТИМР, 2000. 433 с.
14. Круглое Е. Ю, Асеева Р. М, Серков Б. Б., Шутов Ф. А. Моделирование теплопередачи в ограждающих деревянных легких каркасных конструкциях при стандартном режиме пожара // Тех-
нологии техносферной безопасности. 2016. Вып. 4 (68). Режим доступа: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2016-4/27-04-16.ttb.pdf (дата обращения 03.09.2019).
Материал поступил в редакцию 27 июня 2019 года.
Evgeni KRUGLOV Ph.D. in Engineering
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: 89268196698@mail.ru
Fedor SHUTOV
Rosa ASEEVA
Grand Doctor in Chemistry, Professor
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
E-mail: rm-aseeva@yandex.ru
Grand Doctor in Chemistry, Professor
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,
Moscow, Russia
E-mail: fashutov@mail.ru
FIRE RESISTANCE OF ENCLOSING LIGHT WOODEN FRAME CONSTRUCTIONS
WITH POLYMER THERMAL INSULATION OF CARBONIZING TYPE
ABSTRACT
Purpose. The analysis of thermal behavior and impact on fire resistance of light wooden frame constructions which are widely used in erecting dwelling houses, offices and other wooden premises of different height is presented.
Methods. In the course of the research a muffle furnace was used to determine shape resistance and linear shrinkage of thermal insulation materials. To define the limit of fire resistance and the warming -up of light wooden frame constructions under heat exposure a small- scale fire furnace was used.
Findings. The results obtained in the research showed that fire resistance depends on the type of thermal insulating and facing material used.
In the process of mathematical simulating warming -up of light wooden frame constructions changing thermo-physical parameters, density, porosity and linear shrinkage of the material should be taken into consideration.
Research application field. The results of the research are of great importance for calculating fire resistance of light wooden frame constructions with polymer thermal insulation of carbonizing type and forecasting the warming-up of multi-layered constructions exposed to fire.
Conclusions. Small-scale fire tests at a standard burning mode of enclosing light wooden frame constructions samples showed that substituting basalt thermal insulation by polymer foam composite "Penocom" , all other things being equal, lead to significant increase in actual limit of construction fire resistance.
Key words: building, fire resistance, enclosing building constructions, carbonizing thermal insulation, polymer foam composite "Penocom", "Pockwool Light Scandic".
REFERENCES
1. Kazeikin V.S., Baronin S.A., Chernykh A.G., Androsov A.N. Problemnye aspekty razvitiya maloetazhnogo zhilishchnogo stroitelstva vRossii [Problematic aspects of low-rise housing development in Russia: a monograph]. Moscow, INFRA-M Publ., 2013. 278 p.
2. Fires and fire safety in 2017: Statistical collections. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2018. 125 p. (in Russ.).
3. Shutov F.A. Fire-resistant materials to reduce the risk of fire low-rise objects of wood. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2014, no. 3 (55), available at: http://agps-2006.narod.ru/ ttb/2014-3/22-03-14.ttb.pdf (accessed September 03, 2019). (in Russ.).
4. Shutov F.A, Yarbrough D. Insulation and environmental specifications flame retardant polymer foam composites Penocom. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2014, no. 4 (56), available at: http://agps-2006.narod.ru/ttb/2014-4/37-04-14.ttb. pdf (accessed September 03, 2019). (in Russ.).
5. BS EN 1995-1-2:2004. Eurocode 5: Design of Timber Structures. Part 1-2: General Rules, CEN, Brussels, Belgium, 2004.
6. Fire Safety in Timber Buildings. Technical Guideline for Europe, SP Report 2010:19, available at: www.eurocodes.jrc.ec.europa. eu/doc/Fire_Timber_Ch_5-7.pdf (accessed September 03, 2019).
7. Benichou N., Sultan M.A. Fire Resistance Performance of Lightweight Wood-Framed Assemblies // Fire Technology, 2000, vol. 36, no. 3, pp. 184 - 219.
8. Kruglov E.Yu., Kobelev A.K., Shutov F.A., Aseyeva R.M. Thermogravimetric analysis of "Penocom" polymer foam composite
decomposition. All the Materials. Encyclopaedic Reference Book, 2016, no. 6, pp. 30-34 (in Russ.).
9. Criado J.M. Kinetic analysis of DTG from master curves // Thermochimica Acta, 1978, vol. 24, Issue 1. pp. 186-189. DOI: 10.1016/0040-6031(78)85151-x
10. Rogers F.E., Ohlemiller T.J. Pyrolysis kinetics of a polyurethane foams by Thermogravimetry. A general kinetic method // Journal Macromolecul Science: Part A—Chemistry, 1981, vol. 15, no. 1, pp. 169-185. DOI: 10.1080/00222338108066438
11. Flynn J.H. Temperature dependence of the rate of reaction in thermal analysis. The Arrhenius equation in condensed phase kinetics // Journal of Thermal Analysis, 1990, vol. 36, Issue 4, pp. 1579-1593. DOI: 10.1007/bf01914077
12. Kruglov E.Yu. Ognestoikostograzhdayushchikh derevyannykh legkikh karkasnykh konstruktsii s polimernoi teploizolyatsiei [Fire resistance of enclosing wooden light frame structures with polymer insulation. PhD in Engin. Sci. diss.]. State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2017. 149 p.
13. Strakhov V.L., Krutov A.M., Davydkin N.F. Ognezashchita stroitelnykh konstruktsii [Fire retardant compositions for building constructions]. Moscow, TIMR Publ., 2000. 433 p.
14. Modelling of heat transfer in cladding light wooden frame constructions at standard fire mode. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, no. 4 (68), available at: http: //agps-2006.narod.ru/ttb/2016-4/27-04-16.ttb.pdf (accessed September 03, 2019). (in Russ.).
80
© Kruglov Y., Shutov F., Aseeva R., 2019
